Lüfterkühlung vs. Wärmetauscher

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Wasser eignet sich bei kleinen Kanälen

Um eine guten Wärmetransport zu erreichen, muss der Wärmeübergang zwischen den einzelnen Materialien, speziell zwischen Wand und Fluid, möglichst groß sein. Das kann erreicht werden, indem die Wärmeleitfähigkeit des Fluids erhöht wird (Wasser vs. Luft) oder die Strömungsgrenzschicht dünn und/oder turbulent gehalten wird.

Eigenschaften der Strömungsgrenzschichten

Im Vergleich zu laminaren Strömungsgrenzschichten haben turbulente Grenzschichten bessere Wärmeübergangskoeffizienten, sodass sich die umgebende Luft schnell erwärmen kann. In der weiteren Umgebung kann sich die erwärmte Luft anschließend mit kälterer Umgebungsluft durchmischen. Im Vergleich zum Wärmeübergang zwischen Wasser und Festkörper ist der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Luft und einem Festkörper etwa 50 bis 100 mal kleiner. Die Luftkühlung erfordert daher eine größere Kontaktfläche zwischen beiden Medien, die gegebenenfalls durch Kühlrippen erhöht werden kann, und höhere Strömungsgeschwindigkeiten, die gegebenenfalls durch ein Kühlgebläse sichergestellt werden können, als die Wasserkühlung.

Physikalische Eigenschaften von Wasser

Das Kühlmedium kann solange Wärme aufnehmen, bis die Temperatur des Mediums gleich der der zu kühlenden Oberfläche ist. Es muss also immer für genügend Kühlmittelfluss gesorgt werden oder ein Kühlmittel mit höherer Wärmekapazität gewählt werden. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt etwa 4182 J/kg/K und ist damit mehr als viermal so groß wie die von Luft (1005 J/kg/K, bei isobarer Zustandsänderung). Berücksichtigt man noch die unterschiedlichen Dichten (1000 kg/m³ vs. 1.2 kg/m³), wird deutlich, wie viel weniger Volumen bewegt werden muss, um die gleiche Kühlung zu erhalten. Damit kann Wasser gut zur Kühlung eingesetzt werden, wenn nur sehr kleine Spalte und Kanäle zur Verfügung stehen.

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